劉愛東，盧中武，許 芹

（1.海軍航空工程學(xué)院 a.兵器科學(xué)與技術(shù)系；b.研究生管理大隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001；2.煙臺(tái)東方威思頓電氣有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

在集群路由協(xié)議中，典型的協(xié)議低能耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)是一種以最小化傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗為目標(biāo)的集群式路由協(xié)議，是應(yīng)用較廣泛的協(xié)議之一[1-2]。響應(yīng)型協(xié)議TEEN與LEACH的實(shí)現(xiàn)機(jī)制非常相似，只是更適合應(yīng)用在環(huán)境變化較頻繁的場(chǎng)合中[3-4]。對(duì)高能效傳感信息采集協(xié)議PEGASIS，當(dāng)節(jié)點(diǎn)規(guī)模龐大時(shí)該協(xié)議的容錯(cuò)性不佳[5]。

本文針對(duì)LEACH協(xié)議中成簇算法沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)簇頭和基站直接通信等不足，提出一個(gè)基于分區(qū)簇頭選擇和簇間多跳的路由協(xié)議。

1 LEACH 路由協(xié)議

1.1 LEACH協(xié)議成簇算法

LEACH協(xié)議選舉簇頭的過程如下：節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0和1之間的隨機(jī)數(shù)，如果這個(gè)數(shù)小于閾值T (n)，則廣播自己成為簇頭。

非簇頭節(jié)點(diǎn)收到廣播后選擇離自己最近的簇頭加入，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)收到所有簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的加入信息后，產(chǎn)生TDMA 信息并通知該簇中所有節(jié)點(diǎn)。

簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到TDMA后就進(jìn)入休眠，直到自己的時(shí)間槽才醒來發(fā)送數(shù)據(jù)給自己的簇頭。當(dāng)簇頭收

1.2 協(xié)議在能耗方面存在的不足

與一般的平面多跳路由協(xié)議相比，LEACH協(xié)議可以延長網(wǎng)絡(luò)生存周期15%以上[7]，但該協(xié)議在能耗方面仍然存在以下不足：

1)簇頭選舉時(shí)沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，這就可能使剩余能量少的節(jié)點(diǎn)也被選為簇頭，從而加速了該節(jié)點(diǎn)的死亡。

2)簇頭分布不均勻，使得有些區(qū)域的節(jié)點(diǎn)需長距離與簇頭通信。

3)節(jié)點(diǎn)與基站直接通信，使離基站遠(yuǎn)的簇頭消耗了更多的能量。集完數(shù)據(jù)，進(jìn)行融合后直接發(fā)給基站[6]。

2 改進(jìn)的路由協(xié)議

本文針對(duì)LEACH在能耗方面存在的不足，提出一種分區(qū)簇頭選擇、簇間多跳的路由協(xié)議，并在相同的環(huán)境參數(shù)下對(duì)兩種協(xié)議進(jìn)行了仿真。

2.1 基于分區(qū)的簇頭選擇

新協(xié)議充分考慮了簇頭節(jié)點(diǎn)在空間上的分布，由基站控制發(fā)射能量，廣播不同強(qiáng)度的信息，將監(jiān)測(cè)區(qū)域分成環(huán)形區(qū)域。如圖1所示，監(jiān)測(cè)區(qū)域被分成3個(gè)環(huán)形區(qū)域。

圖1 監(jiān)測(cè)區(qū)域分成環(huán)形區(qū)域

基站根據(jù)各區(qū)域面積和最佳面積的比值決定各區(qū)域期望的簇頭數(shù)。簇頭數(shù)由下式確定，

式中：SZONEi為區(qū)域i的面積；Sopt為最優(yōu)面積。由文獻(xiàn)[6]可知，LEACH 中簇的最優(yōu)數(shù)如下式所示。

參照文獻(xiàn)[6]，在本文中取Kopt=5。為了使監(jiān)測(cè)區(qū)域中簇頭分布盡量均勻，且確保簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)與簇頭之間的通信距離盡可能小，同時(shí)考慮不同強(qiáng)度信號(hào)的衰減距離以及傳感器節(jié)點(diǎn)接收器的敏感強(qiáng)度，可將監(jiān)測(cè)區(qū)域分成3個(gè)環(huán)形區(qū)域。離基站距離小于d0的為ZONE0，大于 d0小于d的區(qū)域作為ZONE1，剩余區(qū)域?yàn)閆ONE2，其中ZONE0 選出1個(gè)簇頭，ZONE1和ZONE2 各選出2個(gè)簇頭。

各區(qū)域根據(jù)期望的簇頭數(shù)進(jìn)行簇頭選舉，選舉的閾值為：

式中：k'為某環(huán)形區(qū)域期望的簇頭數(shù)；N'為該環(huán)形區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)；r為輪數(shù)；rs為節(jié)點(diǎn)連續(xù)未成為簇頭的輪數(shù)；Eres為節(jié)點(diǎn)剩余能量；Einit為節(jié)點(diǎn)初始能量。

節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)0和1之間的隨機(jī)數(shù)，如果該數(shù)小于T(n)則廣播自己成為簇頭的消息，該消息包含自己所在的區(qū)域以及自身的剩余能量。非簇頭節(jié)點(diǎn)收到消息后選擇距離自己最近的簇頭加入，簇頭根據(jù)加入的節(jié)點(diǎn)數(shù)產(chǎn)生TDMA。

2.2 簇間多跳的數(shù)據(jù)傳輸

簇頭節(jié)點(diǎn)收集完簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并選擇下一跳簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳送。簇頭節(jié)點(diǎn)通過計(jì)算自身的權(quán)值和其他簇頭節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，選擇比自己權(quán)值大的最大權(quán)值簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。下一跳簇頭的權(quán)值計(jì)算如式(5)所示：

式(5)中：Er'es為下一跳簇頭的剩余能量；為該簇頭節(jié)點(diǎn)到下一跳簇頭節(jié)點(diǎn)的距離的平方；為下一跳簇頭節(jié)點(diǎn)與基站的距離的平方。

自身的權(quán)值計(jì)算如公式(6)所示：

式(6)中：Eres為該簇頭的剩余能量；為該簇頭到基站的距離的平方。當(dāng)自身權(quán)值為最大權(quán)值時(shí)，將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給基站。

3 仿真與驗(yàn)證

3.1 仿真環(huán)境設(shè)置

本文選用UC Berkley 分校研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2[8]作為仿真平臺(tái)，通過仿真比較改進(jìn)后的協(xié)議和LEACH協(xié)議。設(shè)定在邊長為100 m的方形監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布置100個(gè)節(jié)點(diǎn)，參數(shù)如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果及分析

如圖2所示，兩種協(xié)議第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間(FND，F(xiàn)irst Node Die)和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間(LND，Last Node Die)進(jìn)行對(duì)比，新協(xié)議分別延長了26.5%和21.5%。同一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行對(duì)比，新協(xié)議要優(yōu)于LEACH協(xié)議，具體見圖3。

圖2 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比

圖3 同一時(shí)刻存活節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)比

如圖4、5所示，在新協(xié)議下基站接收的數(shù)據(jù)量要大于LEACH，而每輪消耗的能量要比LEACH協(xié)議要低。

圖4 基站接收數(shù)據(jù)量對(duì)比

圖5 能量消耗對(duì)比

4 總結(jié)

相對(duì)于LEACH，本文所提出的改進(jìn)協(xié)議，采用分區(qū)簇頭選舉，有利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)簇頭的均勻分布；穩(wěn)定階段采用簇間多跳的方式，減少了傳輸?shù)哪芰肯?。仿真結(jié)果證明了本文的策略具有良好的效果。與眾多的改進(jìn)協(xié)議相比，本文的改進(jìn)協(xié)議比較簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，并且本文在改進(jìn)LEACH時(shí)并沒有附加額外的條件。因此，本文的方案更加適合硬件資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，且適用范圍更廣。

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